Summary
이 프로토콜은 Au 전기도금 탄소 섬유 천과 Ni 폼 전극을 활용하여 과산화수소 연료 전지를 위한 혁신적인 3차원 전극의 설계 및 평가를 소개합니다. 연구 결과는 지속 가능한 에너지 기술의 유망한 후보로서 과산화수소의 잠재력을 강조합니다.
Abstract
무막과산화수소계 연료전지(H2O2FC)에 대한 심층적인 연구에서 탄소 중립 화합물인 과산화수소(H2O2)는 전기화학적 분해를 거쳐H2O, O2 및 전기 에너지를 생성하는 것으로 입증되었습니다. H 2 O2의 독특한 산화 환원 특성은 지속 가능한 에너지 응용 분야를위한 실행 가능한 후보로 자리 매김합니다. 제안된 멤브레인 없는 설계는 제조 복잡성 및 설계 문제를 포함하여 기존 연료 전지의 한계를 해결합니다. 전기 도금 기술을 통해 합성된 새로운 3차원 전극이 도입되었습니다. Ni 폼과 결합된 Au 전기도금 탄소 섬유 천으로 구성된 이 전극은 향상된 전기화학 반응 역학을 보여 H 2 O2FC의 전력 밀도를 증가시킵니다. 연료 전지의 성능은 전해질 용액의 pH 수준과 복잡하게 연결되어 있습니다. FC 응용 분야 외에도 이러한 전극은 휴대용 에너지 시스템 및 높은 표면적 촉매로서의 잠재력을 보유하고 있습니다. 이 연구는 환경 친화적 인 에너지 원으로서 H 2 O2의 잠재력을 최적화하는 전극 공학의 중요성을 강조합니다.
Introduction
연료 전지는 연료와 산화제를 사용하여 화학 물질을 전기 에너지로 변환하는 전기 화학 장치입니다. FC는 Carnot Cycle1에 구속되지 않기 때문에 기존 연소 엔진보다 에너지 변환 효율이 높습니다. FC는 수소(H2)2, 수소화붕소-수소(NaBH4)3 및 암모니아(NH3)4와 같은 연료를 활용하여 환경적으로 깨끗하고 고성능을 달성할 수 있는 유망한 에너지원이 되어 화석 연료에 대한 인간의 의존도를 줄일 수 있는 상당한 잠재력을 제공합니다. 그러나 FC 기술은 특정 과제에 직면해 있습니다. 한 가지 일반적인 문제는 FC 시스템에서 내부 단락에 대한 보호 장치 역할을 하는 양성자 교환막(PEM)의 내부 역할입니다. 전해조의 통합은 제조 비용, 내부 회로 저항 및 아키텍처 복잡성 증가에 기여합니다5. 더욱이, 단일 구획 FC를 다중 스택 어레이로 변환하면 전력 및 전류 출력을 향상시키기 위해 유동 채널, 전극 및 플레이트를 통합하는 복잡한 프로세스로 인해 추가적인 복잡성이 발생합니다5.
지난 수십 년 동안 이러한 멤브레인 관련 문제를 해결하고 FC 시스템을 간소화하기 위해 공동의 노력이 이루어졌습니다. 특히, 낮은 Reynold 수에서 층류 공동 흐름을 사용하는 무막 FC 구성의 출현은 혁신적인 솔루션을 제공했습니다. 이러한 설정에서, 두 유동 사이의 계면은 "가상" 양성자-전도막(proton-conducting membrane)6으로서 기능한다. 층류 기반 FC(LFFC)는 미세유체역학 7,8,9,10의 이점을 활용하여 널리 연구되었습니다. 그러나 LFFC는 층류 연료/산화제 펌핑을 위한 고에너지 입력, 유체 흐름에서 반응물 교차 완화 및 유체역학적 매개변수 최적화를 포함한 엄격한 조건이 필요합니다.
최근에, H2O2는 전극(11,12)에서의 전기산화 및 전기환원 공정 중에 물(H2O)과산소(O2)를 생성하는 탄소 중립적 특성으로 인해 잠재적인 연료 및 산화제로서 관심을 얻고 있다. H2O2는 2전자 환원 공정을 이용하거나 물(12)로부터 2전자 산화 공정을 이용하여 대량 생산할 수 있다. 이어서, 다른 기체 연료와 달리, 액체H2O2연료는 기존의 가솔린 기반구조(5)에 통합될 수 있다. 게다가, H2O2 불균형 반응은H2O2를 연료 및 산화제로서 제공하는것을 가능하게 한다. 도 1a는 손쉬운 H2O2FC 아키텍처의개략적인 구조를 나타낸다. 기존의 FC 2,3,4와 비교하여 H2O2FC는 장치 "단순성"의 이점을 활용합니다. Yamasaki et al.은 연료와 산화제의 역할을 모두 수행하는 멤브레인이 없는 H 2 O2FC를 시연했습니다. 기술된 전기 에너지 생성 메커니즘은 연구 커뮤니티가 이러한 연구 방향을 지속하도록 영감을 주었습니다6. 이어서,H2O2를 연료 및 산화제로 사용하는 전기산화 및 전기 환원 메커니즘은 다음과 같은 반응으로 표현되었다13,14
산성 매체에서:
양극 : H2 O 2 → O2 + 2H + 2e-; Ea1 = 0.68 V vs. 그녀
음극 : H 2 O 2 + 2H + + 2e- → 2H2 O; Ea2 = 1.77V 대 그녀
합계: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
기본 미디어에서:
H 2 O 2 + OH- → HO 2- + H 2 O
양극 : HO 2- + OH- → O 2 + H 2 O +2e-; Eb1 = 0.15V 대 그녀
음극 : HO 2- + H2O + 2e- → 3OH-; Eb2 = 0.87V 대 그녀
합계: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O 2
도 1B는 H2O2FC의 작동 원리를 나타낸 것이다.H2O2는 양극에서 전자를 공여하고 음극에서 전자를 받아들인다. 양극과 음극 사이의 전자 전달은 외부 회로를 통해 발생하여 전기가 생성됩니다. H2O2FC의 이론적 개방 회로 전위(OCP)는 산성 매체에서 1.09V이고 염기성 매체(13)에서 0.62V입니다. 그러나 수많은 실험 결과에서 이론적 OCP에 비해 산성 매질에서 최대 0.75V, 염기성 매질에서 최대 0.35V에 도달하는 더 낮은 값을 보여주었습니다. 이러한 관찰은 혼합 전위(mixed potential)13의 존재에 기인할 수 있다. 또한,H2O2FC의 전력 및 전류 출력은 전극의 제한된 촉매 선택성으로 인해 언급된 FC(2,3,4)와 경쟁할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 표 1에 나타낸 바와 같이, 현재의 H2O2FC 기술이 전체 비용 측면에서H2, NaBH4 및NH3 FC를 능가할 수 있다는 것은 주목할 만하다. 따라서,H2O2전기산화 및 환원을 위한 전극의 향상된 촉매 선택성은 이러한 장치에 대한 중요한 과제로 남아 있다.
본 연구에서는 3차원 다공성 구조 전극을 도입하여 전극과H2O2연료 간의 상호 작용을 개선하여 반응 속도를 높이고 전력 및 전류 출력을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 또한 용액 pH와H2O2농도가 FC의 성능에 미치는 영향을 조사합니다. 이 연구에 사용된 전극 쌍은 금 전기도금된 탄소 섬유 천과 니켈 폼으로 구성됩니다. 구조 특성 분석은 X선 회절(XRD) 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 수행되며, 개방 회로 전위(OCP), 편광 및 전력 출력 곡선이 FC 테스트의 주요 매개변수로 사용됩니다.
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Protocol
1. 재료의 전처리
참고: 25mm x 25mm x 1.5mm의 Ni-foam(시판, 재료 표 참조)은 H2O2FC의 양극에 사용됩니다.
- Ni-foam 샘플을 알코올 및 탈 이온수 (DI) 물에 담그고 용매와 물에서 5 분 동안 3 회 초음파 처리합니다. 그런 다음 깨끗한 유리 기판 위에 Ni-폼을 놓습니다.
- 탄소 섬유 천( 재료 표 참조)을 음극 기판으로 활용합니다. 가위를 사용하여 탄소 천을 25mm x 25mm 정사각형 조각으로 자릅니다.
- 탄소 천 샘플을 아세톤, 75% 알코올, 탈이온수에 담그고 각각 5분 동안 세 번 초음파 처리합니다. 그런 다음 탄소 천을 DI 물로 씻어내어 알코올 잔여물을 제거합니다. 유리 기판 위에 탄소 천을 놓습니다.
참고 : 논의 된 연구 결과15,16에 기초하여 음극으로서의 Au와 양극으로서의 Ni가 H 2 O 2 FC의 촉매로 선택되었습니다. Pt, Pd, Ni, Au 및 Ag와 같은 금속은 H 2 O2 산화 또는 환원 반응에 대한 특정 촉매 선택성을 가지므로 적합한 전극 재료입니다. Au@carbon 섬유 전극은 전기 촉매 활성, 안정성 및 향상된 전도성의 조합을 제공하므로 무막과산화수소 연료 전지에 적합한 선택입니다.
2. 탄소 천에 Au의 전기 도금
- 클로로아우르산(HAuCl4), 염화칼륨(KCl), 염산(HCl) 및 DI 물( 재료 표 참조)에 따라 전기도금을 위한 시약을 준비합니다.
- 0.005 M HAuCl4, 0.1 M KCl 및 0.01 M HCl이 있는 깨끗한 비커에 80mL 용액(비커 부피 기준)을 준비합니다. 입구를 밀봉하고 용액을 15분 동안 저어줍니다.
- 전기 도금 재료, 탄소 천 및 도금 용액을 준비하십시오. 전기 도금 공정은 전기 화학 스테이션 (ES)에 의해 실행됩니다 ( 재료 표 참조).
참고: 여기서는 도금을 위해 탄소 천을 작업 전극(WE), 흑연 막대를 상대 전극(CE), Ag/AgCl(포화 1M KCl 용액)을 기준 전극(RE)으로 선택하는 세 가지 전극 방법을 선택합니다. - 각 전극이 cl인지 확인하십시오.amp올바른 물체. 전극을 도금 용액에 담그십시오.
- ES를 시작합니다. 그림 1C와 같이 프로그램을 크로노암페로메트리 방법으로 설정합니다. 단일 증착 원이 0.1초 동안 작동 전위 0.1V, 0.2초 동안 휴지 전위 0.2V인지 확인합니다. 결과적으로 AuCl4- 이온은 WE 주위에 균일하게 확산됩니다.
- 전기 도금 원을 800, 1600, 2400 및 3200 원으로 설정합니다. 프로그램을 실행합니다.
알림: 일반적으로 ES의 크로노암페로메트리 방법 프로그램은 1600사이클을 달성할 수 없습니다. 또는 ES의 Multi-Potential Steps 프로그램을 크로노 암페어 메로메트리 방법과 동일한 선택 인 전기 도금 방법에도 사용할 수 있습니다 (제조업체 지침 참조).
- 전기 도금 원을 800, 1600, 2400 및 3200 원으로 설정합니다. 프로그램을 실행합니다.
- 전기 도금 후 ES를 닫고 시약을 포장하고 Au 전기 도금 탄소 섬유 천(Au@CF)을 수집합니다.
- Au@CF를 DI 물에 세 번 담가 용액 잔여물을 제거합니다. 공기 중에서 건조하기 위해 유리 기판 위에 놓습니다.
- cl로 인한 Au@CF의 도금되지 않은 부분을 절단합니다.ampCF의 일부가 용액에 접촉하는 것을 방지하기 위해 s.
- 전류/전력 밀도를 계산하기 위해 눈금자로 Au@CF의 크기(a: 길이, b: 너비)를 측정합니다.
3. FC의 성능 특성
- pH 구배(1 mol H 2 O 2, pH = 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13)에 대한 용액과 H 2 O2(CHP) 구배에 대한 다른 용액 (pH = 1, CHP = 0.25 mol, 0.5 mol, 1 mol, 2 mol)의 두 가지 농도로 용액을 준비합니다.
- OCP용 전극 2개와 편광 및 전력 출력 곡선용 전극 3개를 사용하여 ES로 FC 성능을 특성화합니다(3.3-3.6단계).
- Ni-foam을 다시 세척하고 DI 물로 다시 Au@CF 두 번 합니다. 대기를 위해 따로 보관하십시오.
- FC 테스트 중 OCP 데이터 획득: OCP는 FC 성능의 필수 매개변수입니다.
- Ni-foam을 RE 및 CE로 사용하고 Au@CF WE로 사용합니다. 테스트 비커에 용액을 추가합니다. 전극을 ES에 연결합니다. ES를 켭니다.
- 프로그램을 개방 회로 전위 - 시간 방법으로 설정하십시오. 실행 시간: 400초, 샘플 간격: 0.1초, 높은 E 제한: 1V, 낮은 E 제한: -1V. 프로그램을 실행합니다.
참고: FC 출력이 안정화되는 데 시간이 걸리는 경우가 많습니다. 안정적인 FC 결과를 얻을 때까지 측정을 실행합니다. - 데이터를 측정합니다. 프로그램을 닫습니다. 비커와 전극을 세척하십시오. 특정 테스트에 대한 다른 솔루션을 추가합니다.
- OCP 데이터를 기반으로 FC의 출력 성능을 테스트합니다. 여기서는 원본 LSV( Linear Sweep Voltammetry ) 곡선 데이터만 필요합니다. 추가 출력 데이터는 LSV 곡선에서 계산할 수 있습니다.
- Ni-foam을 DI 물로 다시 씻고 Au@CF합니다(두 번 반복). RE와 세륨, WE로 Au@CF Ni 거품을 이용하십시오. 테스트 비커에 용액을 추가합니다.
- 프로그램을 개방 회로(OCP) 및 단락(0V) 조건에 따라 초기 E로 OCP로, 0V를 최종 E로, 스캔 속도를 0.01V/s로 설정합니다. 프로그램을 실행합니다.
- 데이터를 수집하고, 프로그램을 닫고, 비커와 전극을 세척하고, 특정 테스트에 필요한 기타 솔루션을 추가합니다.
- 실험 후 전극을 세척하여 유리에 보관하십시오.
참고: 실험 데이터는 EXCEL 형식으로 저장할 수 있습니다.
4. 전극의 구조적 특성
참고: XRD는 샘플을 분석하는 쉽고 신뢰할 수 있는 방법입니다. XRD는 탄소 천에 전기 도금된 Au와 같은 전극 요소를 감지하는 데 사용됩니다. XRD 테스트는 전극의 잠재적인 부식 및 열화를 분석하기 위해 FC 특성화 전후에 수행됩니다. 예를 들어, Au 입자는 CF에서 분리될 수 있으며, 니켈 부식은 산성 용액에서 발생할 수 있다5.
- 전극을 탈이온수(2회)로 세척하고 실온에서 공기 중에서 건조시킵니다.
- 핀셋으로 전극의 금속을 긁어냅니다. 금속 분말을 모아 용기에 넣으십시오.
- 금속 분말 샘플에 대해 XRD 테스트17을 수행합니다.
- SEM을 사용하여 전극의 형태를 특성화하고 금과 탄소 섬유 천 사이의 침투 및 전기 도금을 조사합니다. 또한 SEM에 의한 니켈의 부식을 특성화합니다.
5. 데이터 처리 및 전력 출력 계산
- 모든 데이터는 EXCEL에서 분석 할 수 있습니다. Excel 또는 Origin을 사용하여 데이터를 분석하고 실험 그래프를 그릴 수 있습니다.
- OCP 데이터를 사용하여 전극의 선택성을 특성화할 수 있습니다(예: 표 또는 선 그림 사용). 테이블 범례에 평균 잠재 능력을 사용합니다. 일반적으로 선 그림은 FC의 안정성을 보여주는 데 사용됩니다.
- LSV 데이터를 사용하여 FC의 출력 성능을 특성화합니다. EXCEL 파일에는 두 개의 데이터 열이 있습니다. 일반적으로 한 데이터 세트는 전위(U)를 나타내고 다른 데이터 세트는 기록된 전류(I)를 나타냅니다. 다음 방정식을 사용하여 전력 출력을 계산하십시오: P = U × I
알림: 높은 전류(I) 값은 FC의 만족스러운 성능을 나타냅니다. 예를 들어, 전극 표면적이 크면 더 높은 전류가 발생합니다. FC의 성능을 나타내는 정규화된 매개변수는 전류 밀도(ID)이며, 이는 전류를 전극의 표면적(A)으로 나눈 값과 같습니다. - 그런 다음 전력 밀도(PD)를 P D = U × ID로 계산합니다.
알림: 예비 데이터 값은 전류의 방향에 따라 음수가 될 수 있으므로 절대값을 취하는 것이 필수적이며, 이는 측정 중에 바람직하지 않습니다. - 단일 그림 내에서 U, I, D 및 PD 를 사용하여 파라미터를 비교하는 것은 간단합니다. ID 를 x축에, U를 왼쪽 y축에, PD를 오른쪽 y축에 할당합니다.
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Representative Results
전기도금 결과
그림 2는 전기 도금 결과를 보여줍니다. 그림 2A는 X선 회절 결과를 나타냅니다. 그림 2B,C는 현미경 사진입니다. 그림 2D,E는 SEM 결과입니다. 탄소 섬유 천(CF)에 대한 금(Au)의 효과적인 증착은 그림 2B,C와 같이 탄소 섬유 천의 색상이 검은색에서 황금색으로 물리적으로 변하는 것을 사용하여 처음 확인되었습니다. X선 회절 분석을 통해 추가 검증이 이루어졌는데, 이는 면심 입방체(fcc) Au(PDF 카드 번호 04-0784)의 (111), (200), (220) 및 (311) 결정면에 해당하는 38.2°, 44.4°, 64.6° 및 77.6°에서 명확한 피크를 표시하여 CF 기판에 Au를 성공적으로 전기도금한 것을 확인했습니다.
Au@carbon 섬유 전극의 Au 함량은 다음과 같이 추정 할 수 있습니다 : 1g의 HAuCl4로 시작; 약 15회의 전기도금 세션에 사용할 수 있습니다. HAuCl4 1g의 금 함량(mAu)은 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.
추정 mAu = 0.58g에 따름. 15 개의 세션으로 나눌 때, 각 전기 도금 용액은 다음과 같은 무게의 Au3 + 이온을 포함합니다.
그러나 용액의 모든 Au3+ 이온이 전기 도금 공정 중에 탄소 섬유 천에 증착되는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. 따라서 각 탄소 섬유 천에는 0.039g 미만의 Au가 포함되어 있습니다.
그림 2D-I의 SEM 이미지는 탄소 섬유 천에 Au 나노 입자가 균일하게 분산되어 있음을 나타냅니다. 놀랍게도, CF의 원래 3차원 다공성 구조는 전기도금 후에도 잘 보존된 상태로 남아 있었습니다. 이러한 보존은H2O2연료와의 상호 작용을 위한 넓은 표면적을 제공하여 반응 속도와 출력을 향상시키기 때문에 매우 중요합니다.
그림 3은 다양한 수의 전기 도금 사이클을 받는 Au@CFs 보여줍니다. 그림 3A는 Au 전기도금된 탄소 섬유 천의 색상 진행을 보여줍니다. CF의 원래 검은색에서 Au의 금색으로의 색상 전환은 밝은 색에서 어두운 색으로 강렬해졌으며 이는 전기 도금 주기 수가 증가함에 따라 CF에 증착된 Au의 부피가 증가했음을 시사합니다. 이 결론에 대한 추가 지지는 SEM 이미지(그림 3B-E)에서 나오는데, 이는 탄소 섬유 천 전체에 걸쳐 Au의 진화하는 분포를 보여줍니다.
H2 O2 FC 성능 결과
FC의 OCP는 다른 용액 pH 및 H 2 O 2 농도에대해 측정되었으며, 이는 H 2 O 2 FC의 전기 화학적 특성을 해석하는 데 도움이됩니다. pH 및H2O2농도 모두에 대한 OCP의 명시적 의존성이 관찰되었습니다. 가장 높은 OCP는 pH 1 및 H 2 O2농도 0.25 mol에서 달성되었습니다. pH와 관련된 OCP 결과는H2O2불균형 및 FC 성능이 pH에 크게 의존한다는 것을 나타내는 이전 연구와 일치한다18. 낮은 pH는 H 2 O2용액을 안정화시키는 데 도움이되며, H 2 O2는 약산으로 볼 수 있습니다. pH가 11 이상인 염기성 용액에서H2O2의 실질적인 화학적 분해를 명확하게 관찰할 수 있다. 또한, Nernst Equation18에 따르면 OCP는 일반적으로 전해질의 농도가 증가함에 따라 증가합니다. 그러나, 다른 FC와 달리,H2O2FC의 OCP는, 특히 Au 전극(19)을 이용하여,H2O2농도가 증가함에 따라 감소한다. 이 관찰은 혼합 전위 또는 제한된 전극 선택성 때문이라는 가설이 있습니다. 농도가 높을수록 화학 분해 속도가 빨라져 OCP가 감소합니다. 그럼에도 불구하고 이 관찰을 더 자세히 조사하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.
편광 및 전력 출력 곡선은 특정 솔루션과 전기 도금 원 조건을 사용하여 얻어졌습니다. 최대 전력 출력은 특정 전기도금 서클 조건(pH1, H2O2 농도 1mol, 전기도금 서클3200)을 사용하여 최적의 조건에서 얻어졌다. 최적 용액 조건을 이용하여, 최적 조건(pH1,H2O2농도 2 mol)에서 최대 전력 출력을 얻었다. 이 최대 전력 출력 값은 최적이 아닌 조건에서 얻은 값보다 훨씬 높으며, 고성능H2O2FC를 달성하기 위해 전기 도금 서클 및 솔루션 조건의 최적화의 중요성을 더욱 강조합니다.
H2O2FC는 연속 400초 측정 시 최적의 조건을 사용하여 만족스러운 안정성을 나타냅니다.
Ni-foam 및 Au@CF 전극(FC 성능 테스트 전후)의 XRD 분석(17)은 무시할 수 있는 변화를 보였으며, 이는 최적의 작동 조건을 사용하여 전극의 만족스러운 내식성을 나타냅니다. 개략적인 프로토콜에 따라, 관찰된 결과가 예시되고, 3차원 다공성 전극을 사용한H2O2FC의 향상된 성능을 나타낸다.
긍정적 인 결과 :
그림 4A에 묘사된 바와 같이, 전력 및 전류 밀도의 증가는 더 많은 수의 전기 도금 사이클에서 관찰되었습니다. 이 관찰은 더 큰 전기 도금 주기로 CF에 더 많은 Au가 도금되어 전기 화학 반응을 촉진하기 위한 더 많은 활성 물질을 제공하기 때문입니다. 그러나 FC 성능 향상은 전기 도금 사이클 수에 비례하여 증가하지 않습니다. 전류 및 전력 밀도가 약 20% 개선된 것은 전기 도금 주기가 800에서 1600으로 두 배가 되었을 때 기록되었습니다. 과도한 전기 도금은 나노 Au를 캡슐화하는 층을 형성하여 질량 수송 효율을 감소시킬 수 있음을 시사했습니다. 이 발견은 촉매 제조의 전기 도금 방법에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
도 4B는 pH가 1인 용액에서 상이한 농도에서H2O2FC의 개방회로 전위(OCP)의 내구성을 나타낸다. 이 데이터는 전극이 심각한 성능 저하 없이 최소 400초 동안 지속적으로 작동할 수 있음을 나타내며 전기 도금을 통해 제작된 전극의 견고성을 보여줍니다.
흥미롭게도,H2O2FC의 OCP는 산성 및 염기성 매체 모두에서 이론값을 능가했으며, 이는 설계된 전극이 FC 내의 반응을 효과적으로 촉매한다는 것을 시사한다. FC의 전력 및 전류 출력은H2O2농도에 따라 증가하여 특정 pH에서 피크에 도달하는 것으로 나타났습니다. 이 관찰은 전극의 효과를 확인하고 용액 pH 및H2O2농도가 FC 성능에 미치는 영향을 강조합니다.
그림 4C는 최적의 조건에서 FC의 편광 및 전력 밀도 곡선을 보여줍니다. 2M의H2O2농도 및 pH 1에서 약 0.8Wm-2의 피크 전력 밀도를 달성하여 FC의 반응을 촉진하고 전력 출력을 높이는 데 있어 3차원 다공성 전극의 효율성을 입증했습니다.
부정적 결과:
반면에, 과도하게 높은H2O2농도에서는 차선의 결과가 관찰되었다. 그림 4C에서 볼 수 있듯이 H2O2농도가 최적점 이상으로 증가해도 그에 상응하는 비례적 성능 증가가 발생하지 않으며, 이는 연료 사용량과 성능 출력의 균형을 맞추기 위한 FC 작동에 이상적인H2O2농도의 존재를 강조합니다. 예를 들어,H2O2농도가 0.25M에서 2M로 8배 증가했을 때, 최대 전력 밀도는 0.56Wm-2에서 0.81Wm-2로 약 44% 증가하였다.
또한, FC 성능은 용액 pH에 민감한 것으로 나타났습니다. 극한의 산성 및 염기성 조건(pH 값이 3 미만 및 11 이상)에서 FC의 전력 출력은 그림 4D에서 볼 수 있듯이 상대적으로 높았습니다.
이러한 결과는 다양한 파라미터가H2O2FC의 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 설명합니다. 화학 조성의 추가 최적화와 보다 선택적인 전기 촉매의 개발을 통해 이 유망하고 환경 친화적인 에너지 장치는 실용적인 응용 분야를 찾을 수 있습니다. 표 1은 FC 시스템(20,21,22)에서 발생하는 경쟁력 있는 연료비 및 에너지를 나타낸다.
그림 1: 이 연구의 개략도. (A) 멤브레인이 없는 단일 FC의 개략적인 통합. (B) H 2 O2FC의 작동 원리. (C) 탄소 섬유 천에 전처리, 5mM HAuCl4, 1M HCl의 전기도금 용액 및 전기도금 프로그램을 사용한 전기도금 방법의 공정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 전기 도금된 1600개의 원의 구조적 특성 Au@CF. (A) Au@CF의 XRD 결과. (B) 전기도금을 하기 전에 CF의 현미경 사진. (C) Au 증착 후 CF의 현미경 사진. (D,E); (에프,지); 및 (H,I)는 각각 전기 도금 전, 전기 도금 후, 성능 테스트 후의 CF에 대한 SEM 결과입니다. 스케일 바: (D), 20 μm; (E,G), 1μm; (F,H,I), 10μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 서로 다른 전기 도금 원에서 Au@CF 현미경 사진 및 SEM 결과. (A) 왼쪽에서 오른쪽으로 각각 0, 800, 1600, 2400 및 3200 전기 도금 원이 Au@CF됩니다. (B-E)는 각각 800, 1600, 2400 및 3200 전기도금 원 아래에 있는 Au@CF의 SEM 이미지입니다. 눈금 막대: (B,D), 10 μm; (C), 2 μm; (E), 3 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: FC의 성능 특성. (A) pH = 1, C,HP = 1M 용액에서 서로 다른 전기 도금 원(800, 1600, 2400, 3200 원)을 사용한 분극(왼쪽) 및 전력 출력(오른쪽) 곡선. (B) pH = 1 용액에서 다른 H 2 O 2 농도 (0.25 M, 0.5 M, 1 M, 2 M H 2 O 2) 및 1600 초 동안 전기 도금 된 Au@CF 1600 원으로 OCP 테스트. (C) 다른 H 2 O 2농도 (0.25 M, 0.5 M, 1 M, 2M) pH = 1 용액 및 1600 원의 전기 도금 Au@CF. (D) pH = 1에서 13 사이의 다양한 pH 조건과 1 M H 2 O2용액 및 1600 Au@CF 전기 도금 원이 있는 OCP 및 최대 전류 밀도 곡선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 연료 | 자유 에너지(kJ/mol) | 연료비 | 에너지 비용($/kW) | 참조 |
| 수소 | -237 | 6.9 $/킬로그램 | 200 | 20 |
| NaBH4 (영문) | -1273 | 55 $/킬로그램 | 10.2 | 21 |
| H2 O2 | -120 | 1.8 $/톤(대량) | 1.84 | 22 |
표 1: 경쟁력 있는 연료 비용 및 FC 시스템에서 생성된 에너지 비용.
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Discussion
몇 가지 파라미터는 용액 pH 및H2O2농도를 넘어 무막과산화수소 연료 전지의 성능에 크게 영향을 미칩니다. 전극 재료의 선택은 전기 촉매 활성과 안정성을 결정하는 반면, 전극의 표면적은 반응 부위를 향상시킬 수 있습니다. 작동 온도는 반응 역학에 영향을 미치며 반응물의 유속은 연료와 산화제의 혼합 효율을 결정할 수 있습니다. 사용되는 촉매의 농도는 반응 속도에 중추적인 역할을 하며, 불순물은 촉매를 억제하거나 오염시킬 수 있습니다. 전극 간격 및 유동 채널 형상을 포함한 연료 전지의 설계는 질량 수송 및 역학에 영향을 미칩니다. 전해질의 유형과 농도는 이온 전도도에 영향을 미치며 외부 회로의 저항 및 설계는 전류 및 전력 밀도와 같은 작동 매개변수를 변경할 수 있습니다. 또한, 특정 촉매의 존재 하에서H2O2분해의 부산물인 산소의 농도도 세포의 성능에 중요한 역할을 할 수 있다. 이러한 매개변수를 최적화하는 것은 무막과산화수소 연료 전지 7,8,9,10의 효율성과 내구성에 필수적입니다.
조사는 과산화수소 연료 전지(H2O2FC)에 맞춤화된 3차원 다공성 전극의 제조 및 용액 파라미터 11,12의 조절을 통한 연료 전지의 성능 향상에 집중되었습니다. CF에 Au를 성공적으로 전기도금한 것은 XRD 분석 및 SEM 이미징을 사용하여 확인되었습니다. 그 결과 3차원 다공성 Au@CF 전극은 최적의 용액 조건(pH1,H2O2농도 2M)에서H2O2FC에서 견고한 성능을 나타냈으며, OCP, 전력 출력 및 우수한 안정성으로 표시된 바와 같이 1600회 전기도금 사이클에서 최적의 성능비를 달성했습니다.
이러한 결과는H2O2FC를 위한 효율적인 전극을 설계하고 개발하는 데 중추적인 영향을 미칩니다. 3차원 다공성 구조는 H2O2 연료와의 접촉 면적을 최대화하여 잠재적으로 전기화학 반응 속도를 향상시키고 FC의 출력을 높일 수 있습니다. 또한 Au@CF 전극의 현저한 내식성은 선택된 재료가H2O2FC의 장기적이고 안정적인 작동에 대한 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다.
3차원 다공성 구조 전극을 가진H2O2FC의 성능을 더욱 향상시키기 위해 특정 중요 원소에 대한 세심한 고려가 필요합니다. 이들 중 가장 중요한 것은 다공성 전극의 제작입니다. 적절한 표면 처리와 기공 크기 분포의 조절은 이러한 요소가 전극의 전기 촉매 효율에 직접적인 영향을 미치기 때문에 가장 중요합니다. 또한,H2O2농도 및 용액 pH의 관리가 중요합니다. 실험에서 관찰된 바와 같이, 과도하거나 불충분한H2O2농도로 인해 FC의 성능이 저하될 수 있으며, 용액 pH가 최적 범위를 벗어날 때 유사한 경향을 관찰하였다.
최적의 조건에서 H 2 O2FC의 성능을 향상시키려면 특정 수정이 보증될 수 있습니다. 예를 들어, 전극 표면 처리 공정은 보다 다양한 범위의 공극 크기를 달성하도록 최적화될 수 있으며, 이는 반응 역학을 향상시킬 수 있습니다. 예상 전력 출력에 도달하지 못한 경우H2O2농도의 미세 조정, pH 조정, FC의 성능에 영향을 줄 수 있는 온도 및 압력을 포함한 기타 파라미터 고려를 포함할 수 있는 특정 연구 단계가 필요할 수 있습니다.
새로운 전극의 성공적인 개발과 FCs 테스트의 유망한 결과는 청정 에너지 기술에서 H2O2의 잠재적인 응용을 위한 길을 열었지만, 전극의 설계, 선택성 및 표면적을H2O2FC실용화로 개선하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
멤브레인이 없는 H 2 O2FC에서 관찰된 거동은 pH 역학과 과산화수소 농도 간의 복잡한 상호 작용을 강조합니다. H2O2FC의 성능은 단순히 전극 설계의 기능이 아니라 전해질의 화학적 조성에 크게 영향을 받습니다. 최적의 pH 및 H 2 O2농도에서 전기 화학 반응이 촉진되어 효율적인 전자 전달 및 향상된 전력 출력으로 이어집니다. pH의 영향은 시스템의 양성자 활동과 산화 환원 전위를 조절하는 역할에 기인할 수 있습니다. 균형 잡힌 pH는 양극과 음극 모두에서 전기 화학 반응이 방해 없이 원활하게 진행되도록 합니다13,14. 한편,H2O2농도는 반응물의 가용성에 직접적인 영향을 미친다. 최적의 농도는 산화 환원 반응에 참여하기 위해 H 2O2 분자의 꾸준한 공급을 보장하여 일관된 전자 흐름을 생성합니다. 그러나 pH 불균형 또는 최적이 아닌 H 2 O2농도와 같이 이 평형에서 벗어나면 전자 흐름이 중단되어 성능이 저하될 수 있습니다. 극한의 pH 수준에서는 촉매의 구조나 활성이 손상되거나 부반응이 우세해질 수 있습니다. 유사하게, 너무 낮거나 너무 높은H2O2농도는 각각 반응을 굶주리게 하거나 포화로 유도할 수 있다. 본질적으로 pH와 과산화물 농도 사이의 시너지 효과는H2O2FC의 효율을 결정하는 데 중추적인 역할을 합니다. 향후 연구를 통해 이러한 매개변수에 대한 이해가 더 깊어질 수 있으며, 이를 통해 이러한 지속 가능한 에너지 장치에서 훨씬 더 큰 성능을 발휘할 수 있습니다.
중요 단계
탄소 천에 금(Au)을 전기도금하는 공정은 3차원 전극 제조의 초석입니다. 금층의 품질, 균일성 및 두께는 전극의 전기화학적 특성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 가장 중요합니다. 이 공정을 위해 선택된 크로노암페로메트리 기법은 천에 금을 일관되고 균일하게 증착할 수 있는 이점을 제공합니다. 그러나 전기 도금 사이클 수를 결정할 때 섬세한 균형을 맞춰야 합니다. 사이클이 너무 많으면 금이 과도하게 코팅되어 탄소 섬유 천의 고유한 다공성 특성이 손상되어 효율성에 영향을 미칠 수 있습니다. H2O2 용액의 준비는 정밀도가 요구되는 또 다른 중요한 단계입니다. H2O2 용액의 pH 수준및 농도는 FC의 성능을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 연구는 이러한 매개변수와 FC의 출력 사이에 직접적인 상관 관계가 있음을 관찰하여 세심한 용액 준비의 중요성을 강조했습니다.
수정 및 문제 해결
3차원 다공성 전극의 도입은 전극과H2O2연료 사이의 상호 작용을 강화하기 위한 중요한 수정이었다. 이 설계 혁신의 주요 목표는 전기화학 반응 속도를 가속화하여 전력과 전류 출력을 모두 증가시키는 것이었습니다. 그러나 설계가 유망하지만 전극 특성이 원하는 결과와 일치하는지 확인하기 위해 전기 도금 공정에 추가 개선이 필요할 수 있습니다. 이 연구는H2O2용액의 pH 및 농도에 대한 FC의 성능 민감도를 강조했습니다. 최적의 매개변수에서 벗어나면 전력 출력이 감소하거나 FC 작동이 불안정해질 수 있습니다. 문제 해결 수단으로 이러한 매개 변수를 미세 조정하면 성능 문제를 해결할 수 있습니다.
제한
이러한 발전에도 불구하고 현재의 H 2 O2FC 기술에는 몇 가지 한계가 있습니다. 다른 연료 전지 기술과 병치할 때H2O2FC는 더 낮은 전력 및 전류 출력을 나타내는 경향이 있습니다. 이에 대한 주된 이유는 전극의 제한된 촉매 선택성 때문입니다. H2O2FC의 성능은 용액의 pH 및H2O2농도에 크게 좌우됩니다. 이러한 민감도는 FC가 최적의 결과를 제공할 수 있는 작동 범위가 상대적으로 좁다는 것을 의미합니다.
기존 방법에 대한 중요성
H2O2FC의 무멤브레인 아키텍처는 기존 연료전지 1,2,3,4와 크게 다릅니다. 이러한 설계 선택은 제조와 관련된 높은 비용 및 설계에 내재된 복잡성과 같이 기존 FC를 괴롭히는 몇 가지 문제를 효과적으로 우회합니다. 이 연구에서 3차원 전극의 도입은 게임 체인저입니다. 향상된 전기화학 반응 역학을 촉진함으로써 이 전극 설계는H2O2FC에 대해 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있는 가능성을 가지고 있어 기존 설계와 차별화됩니다.
이 기술의 향후 응용
연료 전지에 적용하는 것 외에도 3차원 전극은 더 넓은 잠재력을 가지고 있습니다. 휴대용 에너지 시스템에 통합되거나 높은 표면적 촉매로 사용될 수도 있습니다. 이러한 다양성은 다양한 응용 분야에 적합한 작고 효율적인 에너지 장치의 진화를 촉진할 수 있습니다. H2O2FC에 대한 선구적인 연구는 화석 연료에 대한 의존에서 보다 친환경적인 에너지 대안의 채택으로 전 세계적으로 전환하는 데 매우 중요합니다.
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Disclosures
작성자는 선언할 충돌이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 중국 국가 핵심 기술 R&D 프로그램(2021YFA0715302 및 2021YFE0191800), 중국 국립 자연 과학 재단(61975035 및 52150610489) 및 상하이시 과학 기술 위원회(22ZR1405000)의 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Merck & Co. Inc. (MRK) | 67-64-1 | solution for pre-process of materials |
| Alcohol | Merck & Co. Inc. (MRK) | 64-17-5 | solution for pre-process of materials |
| Carbon fiber cloth | Soochow Willtek photoelectric materials co.,Ltd. | W0S1011 | substrate material for electroplating method |
| Electrochemistry station | Shanghai Chenhua Instrument Co., Ltd. | CHI600E | device for electroplating method and fuel cell performance characterization |
| Gold chloride trihydrate | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | G141105-1g | main solute for electroplating method |
| Hydrochloric acid | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011018 | adjustment of solution pH |
| Hydrogen peroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10011208 | fuel of cell |
| Nickel foam | Willtek photoelectric materials co.ltd(Soochow,China) | KSH-2011 | anode material for hydrogen peroxide fuel cell |
| Potassium chloride | Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co.,Ltd. | 10016308 | additives for electroplating method |
| Scanning electron microscope | Carl Zeiss AG | EVO 10 | structural characterization for sample |
| Sodium hydroxide | Sinopharm Chemical ReagentCo., Ltd | 10019718 | adjustment of solution pH |
| X-Ray differaction machine | Bruker Corporation | D8 Advance | structural characterization for sample |
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